Устройство для определения параметров массопереноса газа в жидкости

Устройство для определения параметров массопереноса газа в жидкости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАССОПЕРЕНОСА ГАЗА В ЖВДNPCTH , содержащее прозрачную емкость .и системы подачи газа и жидкости в емкость, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, емкость разделена горизонтальной сеткой , имеющей элементарную ячейку заданного размера, на две части, связанные между собой капилляром, а система подачи газа соединена с нижней частью емкости. kn

СОО3 СОВЕТСНИХ

Ц

РатЬ БЛИК

А (! 9) (! !) 4(5!) С 01 N 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ (21) 3569048/24-25 (22) 29.О3.83 ,(46) 23.05.85. Бюл. У 19 (72) Ю.В. Первушин, В.К.. Литвинов, В.Ф. Лапченко, Ю.С. Колосков и Л.Г. Большинский (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Донецкого физикотехнического института АН Украинской ССР (53) 533. 15 (088. 8) (56) 1. "Приборы и техника эксперимента", 1956, У 3, с. 80-86.

2. Авторское свидетельство СССР

В 759914, кл. С 01 Я 13/00, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке )) 3477807/18-25, кл. G 01 N 13/00, 1982 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ИАССОПЕРЕНОСА ГАЗА В ЖКЦHiPCTH> содержащее прозрачную емкость и системы подачи rasa и жидкости в емкость, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, емкость разделена горизонтальной сеткой, имеющей элементарную ячейку заданного размера, на две части, связанные между собой капилляром, а сис тема подачи газа соединена с нижней частью емкости.! 1157

Изобретение относится к исследованию химических и физических свойств веществ и может быть использовано для определения кинетических параметров, характеризующих процессы 5 растворения и диффузионного переноса газов в жидкостях, а также имеет непосредственно отношение к разработке и оптимизации технологических режимов с участием двухфазных гаэожидкостных1о сред.

Известно устройство для определения кинетических . параметров переноса путем измерения изменений давления газа и веса растворителя в 15 замкнутой системе гаэ — жидкий растворитель с течением времени, содержащее замкнутую газовую камеру, в которой установлены аналитические весы с размещенной на них емкостью для 20 испытуемой жидкости. Фиксируя изменение давления в камере и веса растворителя в процессе растворения газа, по соответствующим решениям уравнения диффузии с граничным условием в форме закона Фика определяют кинематические параметры переноса (1 j.

Однако реализация в устройстве нестационарного процесса затрудняет интерпретацию результатов измерений. 50

Полученных данных недостаточно для определения всех кинематических параметров.

Известно устройство для определения параметров переноса путем изме- З5 рения газопроницаемости слоев жидкости, диффузионная ячейка которого представляет собой две газовые камеры, пространство между которыми заполняют испытуемойжидкостью.Газовые 40 камеры отделены от жидкости полимерными мембранами и уплотнительными элементами. Верхняя камера подключена к баллону с исследуемым газом, а нижняя сообщается с хроматографией, 45 и через нее осуществляется прокачка газа-носителя. Измерения проводят в нестационарном режиме диффузионной перекачки, но устройство обеспечивает и стационарное течение процес- 50 са P2 j.

Недостатком указанного устройства является наличие дополнительных мембран, а также ненадежность конструкции диффузионной ячейки из-за S5 присутствия уплотнительных элементов непосредственно на границе раздела.

Присутствие твердотельных мембран

407 2 требует дополнительных измерений по определению соответствующих параметров переноса газов непосредственно в мембранах и существенно усложняет трактовку результатов измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения параметров массопереноса газа в жидкости, содержащее прозрачную емкость и системы подачи газа и жидкости в емкость.

Емкость выполнена в виде U-образной трубки, один конец которой заглушен.

Последовательно заполняя U-образную трубку жидкостью и газом, формируют в закрытой части трубки замкнутую газовую полость и измеряют скорость ее растворения, которая и определяет коэффициент диффузии (3 ).

Однако в известном устройстве нельзя создать тонкие жидкие прослойки, разделяющие газовые подсистемы, что практически исключает возможность проведения измерений, которые позволили бы определить кинематические коэффициенты межфаз новых переходов .

При обработке результатов измерений с помощью указанных устройств упрощена трактовка процессов, имеющих место на границе раздела сред, когда граничную кинетику описывают законом Фика, содержащим один кине- . матический параметр. Фактически в реальных процессах всегда имеют место как прямые, так и обратные ереходы через границу раздела, а резуль- тирующий поток через границу газ жидкость определяется величиной, содержащей два кинематических параметра, где I„> — величина молекулярного газового потока через границу раздела, 1/м с;

M„кинематический параметр прямых переходов через границу раздела газ — жидкость, м/с;

M „- кинематический параметр об-. ратных переходов, м/с; и и n — граничные концентрации моле1 и кул газа со стороны соответствующих сред, 1/м .

В нестационарных процессах растворения именно поток j. через границу

ras — жидкость определяет скорость з растворения. При стационарностн процесса газопроницаемость жидкой

iïðîñëîéêè толщиной 1, разделяющей растворяемую и внешнюю газовые подсистемы, согласно проведенным вычислениям определяется величиной молекулярного потока, !

57407 4

<О

20Ф 1И

21 2< !О где D — коэффициент диффузии, м2 /с; — толщина жидкого слоя между газовыми подсистемами, м; п — концентрация исследуемого .1 газа в растворяемой подсис- 15 теме, м и — концентрация газа во внешней газовой системе, м .

Из выражения (2) видно, что и в стационарном случае газопроницае- 2б мость тонких слоев жидкости зависит от кинематических параметров W; .

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства ° 25

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения параметров массопереноса газа в жидкости, содержащем прозрачную е«кость и системы подачи газа и жидкости в емкость, последняя разделена горизонтальной сеткой, имеющей элементарную ячейку заданного размера, на две части, связанные между собой капилляром, а система подачи газа соединена с нижней частью емкости.

55

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство общий B > HB фиг. 2 схема устройства в режиме дополнительных измерений.

Устройства (фиг. 1) содержит емкость 1, состоящую из двух цилиндрических сосудов разного диаметра, которые отделены один от другого горизонтальной сеткой 2. Верхний сосуд имеет меньший диаметр. Сетка

2 припаивается к металлической шайбе

3, в кдторую вмонтирован капилляр 4, сообщающий части емкости 1 между собой. Капилляр 4 обеспечивает перетекание жидкости, когда вся поверхность сетки 2 перекрыта сформированной газовой полостью 5. Материал сетки 2 подбирают таким, чтобы он хорошо смачивался испытуемой жидкостью. Шайба 3 с сеткой 2 устанавливаются и удерживаются в емкости с помощью уплотнительной прокладки 6.

Для установки сетки 2 днище 7 е«кос\ ти выполнено. съемным и закреплено на емкость 1 через герметизирующие прокладки 8. Шайба 3 снабжена ограничите ем 9, удерживающим начальные размеры газовой полости 5 в заданных пределах. В днище 7 емкости 1 вмонтированы патрубок 10 системы подачи жидкости и патрубок 11 системы подачи газа. Окончательный уровень жидкости над сеткой 2 устанавливается с помощью поршневой системы 12. В верхней части емкости 1 на специальных держателях 13 крепится дополнительная прямоугольная камера

14, частично перекрывающая сечение емкости 1. Две вертикальные поверхности камеры 14 (перпендикулярные плоскости фиг. !) ограничены сетками, остальные стенки выполнены иэ непроницаемого прозрачного материала. Один из держателей камеры сделан полым и с помощью патрубка 15соединен с системой подачи газа.

Горизонтальная сетка 2 и сетки, ограничивающие камеру 14, должны нметь такую элементарную ячейку, чтобы через нее не происходило выдавление газовых пузырьков в.процессе формирования газовой полости и проведения измефений. Соответствующие сетки выбираются экспериментальным путем, а сетки с квадратным сечением отверстий ячейки - с учетом следующих ycsromA: для горизонтальной сетки

2 линейный размер отверстий ограничен неравенством

2(Ь )1П

fR где 6 — коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м

J — плотность жидкости, к г/м ;

g - уСкорение силы тяжести, м/с2, для ограничительных сеток камеры 14 а а 4

9 где h — - высока камеры, м.

Для ускорения процесса измерений целесообразно использовать такую емкость, чтобы высота ее нижней части не превьппала 5 мм. В данном случае при формировании газовой полости под сеткой происходят практически полное вытеснение жидкости Hs этой части и при растворении газовой полости более быстрое установление стацнонарости режима. где Е стационарная газ опроницае- 15 мость, определяюшая величину молекулярного потока через единичную площадку поверхности раздела в единицу времени, м с"; 20 концентрация того компонента в газовой полости, растворимость которого исследуется, мэ; абсолютная скорость измене- 25 ния объема газовой полости при растворении, м /с; величина поверхности растворения, мг . и,—

ЗО

Сопоставление измеренной в различных условиях газопроницаемости, заданной соотношением (3), с соответст-вующими теоретическими выражениями позволяет определить искомые кинети3$ ческие параметры.

В первой схеме измерений осуществляют растворение газовой полости, сформированной под горизонтальной сеткой 2, когда перенос газа в уста- 4 новившемся стационарном режиме идет в сторону внешней газовой подсистемы через жидкую прослойку заданной толщины f . .Из равенства величин (2) и (3) в данном случае получаем рабочую формулу

/1// Чг1 п1

2D+ Ю21 S Ы12 п1 ъ (4) 50

Возможны следующие варианты.

Если измерения проводят при малых толщинах жидких прослоек 1, когда выполняется условие (5) 55

W a ((20, 21 то результаты измерений непосредственно определяют кинетический коэф5

1157

При необходимости проведения дополнительных измерений к емкости подсоединяют трубку 1б отвода жидкости (фиг. 2).

Предлагаемое устройство позволяет реализовать две схемы измерения скорости изменения объема газовой полости при растворении ее в жидкости, которая определяет, при стационарности режима газопроннцаемость заданного 10 слоя жидкости, с помощью соотношения

П1 /11/ (3)

407 Ь фициент.прямых переходов W .В преде1г ле (5) из выражения (4) следует, что

11 =2

/V/ и, (6)

12 S n ï э

Факту. осуществления предела (5) соответствует независимость скорости растворения /V/ от толщины каждой прослойки У.

При больших толщинах f когда вы-. полняется условие

W,Е >) 2D, из выражения (4) следует, что (7) D= 1 — „

/Ч/ Ц21 п1 (8)

У„n„-и

В пределе (7) наблюдается характерная зависимость /V/ 1/9 так

Мто измеренные скорости растворения

U è V для различных значений толщины жидкого слоя 1„и 1г связаны между собой соотношением 1/ г г/ (Vã/ (9) В данном случае по результатам двух измерений, используя выражение (4), получаем 5 n„(„l,,/ 1/

S n<-n, 2„-1, /Ч,7 (10)

/% / л 2

S Я ТЯ Wrnn„-nz

" /11и/, 2 " 41

/v2 /-/V„/ г

Зависимости (8) и (10) показывают,что для определения коэффициента диффузии необходимо дополнительно установить величину отношения W „/W„

Таким образом, измерения при мапых значениях g, когда имеет место предел (5), определяют кинетический коэффициент М,, а измерения при боль-, ших значениях 6, когда выполняется предел (7), определяют коэффициент диффузии D.

Предел (5) трудно реализовать практически, для этого нужно работать с очень тонкими слоями жидкости. При практических измерениях достаточно достичь условий, когда величины М „ и Р имеют один порядок. При этом результаты измерений при двух значениях жидких слоев, когда .Х ( соотносятся следующим образом (13) 7 1157407 8

Иэ условия равновесия, когда в систе-:де и - концентрация исследуемдго ме отсутствуют токи частиц, следует, компонента в газовой полос12 1в 1 21 2 что поток через границу 1 =Бр — W n = р р ти м-

n — концентрация растворенного ция растворенного газа в жидкости компонента в потоке жидкосопределяется величиной ти м Тнр Ф1 112

Если при фиксированном .f провести и - " и п1, (= ) . (11) измерения скорости изменения объема

21 21 п1 газовой полости при ее растворении

Следовательно, для определения 1О в потоках жидкости с различным содервеличины отношения необходимо о6ра- жанием растворенного газа n,, To no титься к справочникам по растворимос- результатам измерений определяется ти газов в жидкостях либо провести отношение У /Wz„. Целесообразно дополнительные измерения. одно из измерений прово проводить в потоке

Помимо определения отношения 15 чистой жидкости не содер и содержаще растW„ /У необходимость дополнительных воряемого газового компонента, когда измерений может возникнуть в силу п = О, а второе измерение — в потоке того, что в предложенной первой схе- жидкости, которая содержит фиксироме измерений реально можно создать ванную долю растворяемого газа и п.. жидкие прослойки, разделяющие га- 20 Лучше Всего содержание предварительэовые подсистемы толщиной в пределах . g- î растворенного rasa выдерживать в миллиметра, в крайнем случае десятых пределах 0,2п п . (0,7 долей мнллиметрар но не меньше. Это- Ис спользуя измеренные значения объемго может оказаться недостаточно,что- ных скоростей растворения и

rasoво ру условие (7), так что в 25 полости в потоке чистой жидкости V последнем случае первая схема из0 и в потоке с содержанием растворенмерений позволяет определить только ного Ч о о газа ., когда и и. а также значение коэффициента диффузии 0 3. р выражения (3) и (12), получаем при наличии справочных данных о растворимости. . 30 к 21 п1 Vi

Вторая схема .измерения реализует . Д систему газовая .полость - неподвиж- ° и о н,й „й погранслой дв аяся После вычисления величины (13) по жидкОсть. Для этОгО газОвую ПОлОсть фо ируют в дополнительной ка ере, oap ens®T коэффициент диффузии ограниченной сетками, и осуществляют ее расвторение в потоке жидкости Если в первой схеме измерений

Жидкостьр з пол я я сеточные ка- осуществляется только предел (7), то на ы, остается неподвижной т к что кинетические коэффициенты У .опреig толщина неподвижного погранслоя деляюTo по результатам измерений по практически совпадает с толщиной сет- второй схеме. С помощью соотношений

40 в ки. При использовании сеток толщиной в пределах микроНа последнее предполо- / /-/ / жение оправдано для скоростей пото- 41 и ЭВ - - ц

nq o Vj ка выше 10 м/с. В общем случае

4S

1 толщина неподвижного слоя оценивает- W 29 ся величиной н=ннтн7г

t- -i,+D/-, Измерения пр первой схеме (фиг. 1) осуществляют следующим образом. где сс .- толщина сетки, м;

- скорость потока, м/с. 50 Заполняют емкость 1 исследуемой

При растворении газовой полости в жидкостью до тех ïîðр пока ее уровень потоке жидкости соотношение (з) ос- днимае СЯ slane cence. ФОРмм тается в силе, а газопроницаемость руют под сеткой 2 газовую полость 5, погранслоя то ой 2 определяется осуществляя подачу газа через трубку величиной

SS . 11. Подачу газа производят, пока газовая полость не достигнет размеров, ведвнннн огреннонтевен 9. С ноWa19 W<2 гв+ь „w

21 21 мощью отсасывающей системы 12 уста11574 навливают заданный слой жидкости, после чего переходят непосредственно к процессу измерений. Включают отсчет времени, фиксируя интервал времени „, за который диаметр газовой полости 5 станет равным диаметру верхней части емкости 1. После этого восстанавливают размеры газовой полости до первоначальных,осуществляя через трубку 11 плавную О подачу дополнительных порций газа.

Замеряют следующий промежуток времени lg эа который происходит растворение газовой полости в укаэанных пределах. Отмеченный цикл изме— рений повторяют до тех пор, пока промежутки времени растворения не станут одинаковыми, т . е . С„= т „+, = что соответствует установлению стационарности процесса. Вычисляют стационарную скорость измерения объема газовой полости, которая равна

/V/ = Í = 2ТНК

Ь$ dR

25 где Н

ЬБ

/Ч4 / а /Ч / 2/Ч1/ то выполняется условие (9) и пара- 4> метры переноса определяются соотношением (10). На этом измерения по первой схеме заканчиваются и остаетcsr Определить ОтнОшение М< /W„>пО

21 справочным данным и соотношению (11),5o либо проведя измерения по второй схеме и используя соотношение (13) .

Если результаты измерений показывают, что /V / = 2/U /, то осуществляется предел (7) и необходимо повто- 55 рить цикл измерений при минимально возможной толщине жидкого разделяюще

ro слоя. Если дополнительное измере— высота газовой полости, м; — изменение площади сечения газовой полости при растворении, м

R — радиус верхней части емкос30 ти, м;

ЬК вЂ” изменение радиуса газовой полости при растворении, м.

Ограничитель 9 устанавливают так, чтобы изменение размеров газовой по лости д К не превышало 1 мм.

Описанные циклы измерений прово" дят для двух слоев разделяющей жид кой прослойки толщиной 3„ = 1 см и (1,5 см.

Если результаты измерений показывают что

07 l0 ййе при t = О, I см показывает, что

/V / = 10/V /, это означает, что при первой схеме измерений не удалось выйти эа пределы условия (7) и результаты измерений определяют только коэффициент диффузии, а кинетические параметры W; следует определять по результатам йэмерений по второй схеме. Случай, когда /V / (10/V 4/, причем величина /10V.— V,/ превышает величину погрешности измерений, означает, что удалось выйти эа рамки условия (7) и кинетические параметры следуют из соотношения (10) и (11) либо (10) и (13). .t

Измерения по второй схеме (фиг.2) осуществляют следующим образом.

Присоединяют емкость 1 с помощью трубки 16 к системе прокачки жидкости и полностью заполняют систему жидкостью. Через патрубок 15 подают газ -в камеру 14 вплоть до полного наполнения ее газом. После наполнения камеры газом начинают прокачивать жидкость в систеМе, обеспечивая растворение сформированной в камере 14 газовой полости в потоке жидкости, параллельном сеточным поверхностям камеры 14. В процессе измерений фиксируют интервал времени, эа который происходит заданное изменение высоты газовой полости ЬН. Вычисляют скорость изменения объема газовой полости

/V/ = a-1.

ЬН где и и L — линейные размеры газовой полости, совпадающие с соответствующими размерами камеры

14 (фиг. 1) .

Указанное измерение йроводят дважды. Сначала растворяют газовую полость в потоке чистой жидкости, не содержащей растворенных газов, измеряя соответствующее значение екорости изменения объема /17 /. Затем повторяют процесс растворения газовой полости в потоке жидкости с известным заданным содержанием исследуемого газа (n - и ), измеряя соответствующее значение- скорости /V /. По

Э соотношению (13) определяют величину 17 /W<<, после чего по данным измерений по первой схеме, используя выражение (8) или (10), вычисляют коэффициент диффузии D а затем с помощью соотношений (14) и .(15) !

157407

/V / = 5,64 -10 м/с

ll вычисляют кинетические параметры

М1г и W2-Пример. Устройство использовалось для определения параметров переноса углекислого газа в воде.

Меньшее сечение емкости имеет радиус

К = 0,05 м. Горизонтальная латунная сетка имеет отверстия порядка 1 мм.

Ограничители газовой полости располагаются по окружности радиуса К 1О

0,051 м. Высота сформированной газовой полости Н 0,004 м. Внешней газовой средой служит атмосфера,т.е. можно принять, что концентрация углекислого газа во внешней газовой под- 15 системе п О. Высота между днищем емкости и сеткой около 5 мм. При толщине жидкой прослойки х = 0,01 м растворение газовой полости в стационарном режиме с изменением ее 20 размеров на дК = К вЂ ;R = 0,001 м происходит за промежуток времени

Т 445 с, что соответствует значению /7„/ 2яНК, 2,82.10 мг/с.

Измерение при 2г = 0,005 м дает 25 значение 7 223 с, т.е.

Имеем /V / = 2/VÄ/,,так что выпол- З0 няется условие (7).

Дополнительная камера имеет pasмеры d 0,01 м, L 0,01 м и высоту

0,04 м. В качестве ограничительной сетки используется мембрана толщиной З

10 м, перфорированная отверстиями. Они изготовлены путем неоднократного проката латунной сетки.

Коэффициент гелиевого сечения полученной перфорированной мембраны 40

0,004, так что общая поверхность растворения газовой полости в-камере

Я 2 ° 0,004 ° Н. Начальная высота газовой полости в камере Нэ 3,8 см, ко- . нечная - Н ** 3,7 см, так что при вью- jg числениях поверхности растворения иснальэуется значение Н 3,8 см. Раствор с заданной концентрацией готовят путем многократного барботирования газа с измерением общего объе-0 ма растворенного газа (путем определения разницы начального и конечного объема газа при нормальных внешних условиях). Концентрация растворенного газа определяется по формуле п п п,—

Я„ г ) д г где п 2 7 . 10 г M — число Лошмидта, У„ — объем растворенного газа;

R<- объем раствора.

При растворении газовой полости в чистой жидкости изменение ее размеров с йН = 0,001 м происходит за время « . = 7,6 с, т.е.

/Ч / 1,3-10 мг/с.

Соответствующее изменение парамет ров в растворе с и ° /п 0,8 (п,!

2,16 102 м ) происходит за С.11,4 с, так что

I

/V / = 0,88 -10 м /с.

Согласно выражению (13) зто соответствует значению величины

1 б — - - (1 — — г ) 2,4.

W. n, Vî

Отсюда, используя данные изМерений по первой схеме (при 2 „ 1 см имеют

° ° /V / 2,82 10 м /ср 1) р о формуле (8) получаем

Наконец, проводя вычисления по формулам (14) и (15), находим M q

0,062 м/с; У 2,4 м/с; Wg, 0,15 м/с.

Значения коэффициента диффузии D и данные о равновесной растворимости

/п =IIj/$ дОстатОчнО xopolEo cO гласуются с известньии данными. При нормальных условиях 9 -> 1,7-10 тамг/с, M

- 1. Экспериментальные данные по

Mg) абсолютным значениям величин 1!1 неизвестны.

Предлагаемое устройство позволяет измерить все кинетические параметры, ответственные эа процесс растворения, т.е. получить точную информацию а реальных процессах массопереноса в газожидкостных системах, в отлйчие от известных устройств,. которые обеспечивают измерение лызь коэффициента ,@диффузии.

1157407

Составитель А. Кощеев

Редактор О.Юрковецкая Техред И.Асталош Корректор И. Эрдейи

Заказ 4745 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал IIIIII "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4